TWI803982B

TWI803982B - 冷卻系統及其操作方法

Info

Publication number: TWI803982B
Application number: TW110134763A
Authority: TW
Inventors: 童凱煬; 陳虹汝
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-06-01
Also published as: TW202315507A

Abstract

一種冷卻系統，包含槽體、熱交換器、分離槽、第一管體、第二管體、第三管體、儲氣裝置、第四管體、第一閥、第二閥及第三閥。發熱元件置於該槽體以浸泡於介電液。該熱交換器冷凝該介電液之介電蒸氣。該分離槽包含用以進行分離操作。該第一管體連接於該槽體及該熱交換器之間。該第二管體連接於該熱交換器及分離槽之間。該第三管體連接於該分離槽及該槽體之間。該儲氣裝置用以儲存該介電蒸氣。該第四管體連接於該儲氣裝置及該分離槽之間。該第一閥及該第三閥分別設置於該第四管體之兩端，且該第二閥設置於該第四管體上。

Description

冷卻系統及其操作方法

本發明提供一種冷卻系統及其操作方法，尤指一種包含分離槽且可根據壓力及溫度而進行控制的冷卻系統及其操作方法。

於封閉型兩相浸沒式冷卻系統，其熱交換器的調控主要是透過蒸氣所在之蒸氣側的溫度進行控制。藉由將蒸氣側的溫度控制在接近室溫，使介電蒸氣冷凝，降低蒸氣側壓力，此外亦可降低蒸氣側內混合氣體的介電蒸氣之濃度，以減少洩漏量。

為了改善排氣及便於開蓋維護，目前另有開放型的冷卻系統。對於開放型兩相浸沒式冷卻系統而言，介電蒸氣需先隨管線移動至遠方的熱交換器後，才會在熱交換器內部冷凝，但由於介電液以液態的形式流回到槽體，導致在開放型的設計中，熱交換量的增減對槽體內的蒸氣側的介電蒸氣濃度與混合氣體溫度影響不大，因此常根據熱交換器之出口溫度進行控制。

在開放型兩相浸沒式系統中，為了維持槽體內的電子元件之溫度被控制於預定範圍內，須將槽體內的壓力控制在接近常壓，以避免介電液沸點受壓力變化而產生變化。然而，根據熱交換器之出口溫度，難以控制槽體內壓力的變化，因此造成系統操作上的難題。

實施例提供一種冷卻系統，包含一槽體、一熱交換器、一分離槽、一第一管體、一第二管體、一第三管體、一儲氣裝置、一第四管體、一第一閥、一第二閥及一第三閥。該槽體包含一第一槽體接口，及一第二槽體接口，其中一發熱元件置於該槽體以浸泡於一介電液。該熱交換器包含一第一熱交換器接口，及一第二熱交換器接口，用以冷凝該介電液之介電蒸氣。該分離槽包含一第一分離槽接口，一第二分離槽接口，及一第三分離槽接口，用以進行一分離操作。該第一管體連接於該第一槽體接口及該第一熱交換器接口之間，用以使該介電蒸氣通過。該第二管體連接於該第二熱交換器接口及該第一分離槽接口之間，用以使該介電液通過。該第三管體連接於該第二分離槽接口及該第二槽體接口之間，用以使該介電液通過。該儲氣裝置包含一儲氣裝置接口，用以儲存該介電蒸氣。該第四管體連接於該儲氣裝置接口及該第三分離槽接口之間。該第一閥設置於該第三分離槽接口。該第二閥設置於該第四管體上。該第三閥設置於該儲氣裝置接口。

實施例提供一種操作冷卻系統之方法，該冷卻系統包含用以浸泡一發熱元件於一介電液之一槽體、用以冷凝該介電液之介電蒸氣之一熱交換器、一分離槽、一儲氣裝置、連接於該槽體及該熱交換器之間的一第一管體、連接於該熱交換器及該分離槽之間的一第二管體、連接於該分離槽及該槽體之間的一第三管體、連接於該儲氣裝置及該分離槽之間的一第四管體、設置於該分離槽通往該儲氣裝置之一分離槽接口的一第一閥、設置於該第四管體上的一第二閥、設置於該儲氣裝置之一儲氣裝置接口的一第三閥，一預定位置位於該第一閥及該第三閥之間，該方法包含當該槽體之底部之一第一液壓高於一第一上限值，且該分離槽之底部之一第二液壓高於一第二上限值，控制該第一閥、第二閥及該第三閥以執行一排氣操作以將該介電蒸氣排入該儲氣裝置及/或一外部空間。

100:冷卻系統

105:發熱元件

110:槽體

1101:第一槽體接口

1102:第二槽體接口

120:熱交換器

1201:第一熱交換器接口

1202:第二熱交換器接口

130:分離槽

1301:第一分離槽接口

1302:第二分離槽接口

1303:第三分離槽接口

1305:隔板

140:儲氣裝置

1401:儲氣裝置接口

152:第一壓力計

154:第二壓力計

156:第一溫度計

158:第二溫度計

172:第一閥

174:第二閥

176:第三閥

182:第一管體

184:第二管體

186:第三管體

188:第四管體

190:介電液

195:介電蒸氣

400:操作方法

405至496,502至560,605至670,705至780:步驟

Z1:第一區

Z2:第二區

第1圖為實施例中，冷卻系統的示意圖。

第2圖為第1圖之冷卻系統之局部剖面圖。

第3圖為實施例中，第1圖之冷卻系統之操作方法的流程圖

第4圖為實施例中，第3圖之排氣操作的流程圖。

第5圖為實施例中，冷卻系統執行吸氣操作的流程圖。

第6圖為實施例中，冷卻系統執行過壓保護操作的流程圖。

第1圖為實施例中，冷卻系統100的示意圖。冷卻系統100包含槽體110、熱交換器120、分離槽130、第一管體182、第二管體184、第三管體186、儲氣裝置140、第四管體188、第一閥172、第二閥174及第三閥176。槽體110包含第一槽體接口1101，及第二槽體接口1102，其中發熱元件105可置於槽體110以浸泡於介電液190，其中介電液190為冷凝液。熱交換器120用以冷凝介電液190之介電蒸氣195，且包含第一熱交換器接口1201及第二熱交換器接口1202。分離槽130用以進行分離操作，且包含第一分離槽接口1301，第二分離槽接口1302，及第三分離槽接口1303，其中分離操作將述於後文。第一管體182連接於第一槽體接口1101及第一熱交換器接口1201之間，用以使介電蒸氣195通過。第二管體 184連接於第二熱交換器接口1202及第一分離槽接口1301之間，用以使介電液190通過。第三管體186連接於第二分離槽接口1302及第二槽體接口1102之間，用以使介電液190通過。儲氣裝置140用以儲存介電蒸氣195，且包含儲氣裝置接口1401。除了介電蒸氣195，儲氣裝置140還可儲存冷卻系統100中的空氣，因此儲氣裝置140可儲存介電蒸氣195及冷卻系統100中的空氣之混合氣體。第四管體188連接於儲氣裝置接口1401及第三分離槽接口1303之間。第一閥172及第三閥176設置於第四管體188之兩端，其中第一閥172可設置於第三分離槽接口1303，且第三閥176可設置於儲氣裝置接口1401。第二閥174可設置於第四管體188上，且介於外部空間及冷卻系統100的內部之間。

如第1圖所示，冷卻系統100另包含第一壓力計152、第二壓力計154、第一溫度計156及第二溫度計158。第一壓力計152可設置於槽體110之底部，用以量測介電液190產生之第一液壓(本文以P1表示)。第二壓力計154可設置於分離槽130之底部較為靠近熱交換器120之側，用以量測介電液190產生之第二液壓(本文以P2表示)。第一溫度計156可設置於第二熱交換器接口1202，用以量測出口溫度(本文以Tout表示)，第二溫度計158可設置於槽體110內，用以量測介電液190之溫度(本文以T_tank表示)。

第2圖為第1圖之冷卻系統100之局部剖面圖。如第2圖所示，分離槽130可另包含隔板1305。隔板1305設置分離槽130之底部且未觸及分離槽130之頂部，用以於分離槽130內分隔出第一區Z1及第二區Z2。

第二區Z2之底部相連於第二分離槽接口1302，第二壓力計154設置於第一區Z1之底部。分離槽130進行之分離操作可包含介電液190從第一分離槽接口1301流入第一區Z1，當介電液190於第一區Z1之液面高度達到隔板1305之高度時，介電液190可逸流入第二區Z2。

如第1圖及第2圖所示，為了控制介電液190及介電蒸氣195之流動，可設定各接口的高度，其中第一槽體接口1101之位置高於第二槽體接口1102之位置，第一熱交換器接口1201之位置高於第一槽體接口1101之位置，第一熱交換器接口1201之位置高於第二熱交換器接口1202之位置，第一分離槽接口1301之位置高於第二分離槽接口1302之位置，第三分離槽接口1303之位置高於第二分離槽接口1302之位置，且第二分離槽接口1302之位置高於第二槽體接口1102之位置。

為了避免量測誤差，實施例係量測液體所在之液體段的壓力。以第1圖的第一壓力計152為例，透過將第一壓力計152安裝於槽體110之介電液190內，可使第一壓力計152之量測膜完全位於介電液190中，以避免因量測膜同時接觸蒸氣及冷凝液珠而造成的量測誤差。

由於槽體110及熱交換器120之間具有一段距離，可另設置第二壓力計154於熱交換器120之出口下游處。相似於第一壓力計152，為了避免冷凝液珠對壓力量測值的影響，可採取將壓力計安裝於液體段的設計，以使第二壓力計154完全浸泡於介電液190中。為使第二壓力計154完全浸泡於介電液190中，可於熱交換器120之出口加裝分離槽130。分離槽130可為氣液分離槽，其內部構造可如第2圖所示，內部具有隔板1305，以將分離槽130分隔為位於上游且較接近熱交換器120之第一區Z1，及位於下游且較接近槽體110之第二區Z2。流出熱交換器120的介電液190可先累積第一區Z1，使第二壓力計154的量測膜完全浸泡在介電液190中。隨著介電液190自熱交換器120持續流入分離槽130，第一區Z1的液位將達到隔板1305之高度，此時介電液190可越過隔板1305流入第二區Z2，再透過第三管體186流回槽體110。

為了控制冷卻系統100之系統內部的壓力，可使用儲氣裝置140、第一閥172至第三閥176及第四管體188所形成的壓力控制裝置，以進行控制。壓力控制裝置可安裝於第二區Z2的上方，以避免介電液190因液位高度變化而流入壓力控制裝置之內部，而造成介電液190逸失。

第3圖為實施例中，第1圖之冷卻系統100之操作方法400的流程圖。操作方法400可包含以下步驟：步驟405：開始；步驟410：判斷第一液壓P1是否高於第一上限值(本文以P1_high表示)；若是，進入步驟415；若否，進入步驟420；步驟415：判斷第二液壓P2是否高於第二上限值(本文以P2_high表示)；若是，進入步驟492；若否，進入步驟494；步驟420：判斷第一液壓P1是否低於第一下限值(本文以P1_low表示)；若是，進入步驟496；若否，進入步驟425；步驟425：判斷第二液壓P2是否高於第二上限值P2_high；若是，進入步驟430；若否，進入步驟435；步驟430：判斷出口溫度Tout是否高於溫度上限值(本文以T_boiling-delta-T1表示)；若是，進入步驟494；若否，進入步驟492；步驟435：判斷第二液壓P2是否低於第二下限值(本文以P2_low表示)；若是，進入步驟496；若否，進入步驟440；步驟440：判斷出口溫度Tout是否高於溫度上限值 T_boiling-delta-T1；若是，進入步驟494；若否，進入步驟445；步驟445：判斷出口溫度Tout是否低於溫度下限值(本文以T_boiling-delta-T2表示)；若是，進入步驟496；若否，進入步驟405；步驟492：控制第一閥172、第二閥174及第三閥176以執行排氣操作(degassing)以將介電蒸氣195排入儲氣裝置140及/或外部空間；進入步驟405；步驟494：調高熱交換器120之冷卻能力；進入步驟405；及步驟496：調降熱交換器120之冷卻能力；進入步驟405。

第3圖之操作方法400為綜合考量第一壓力P1、第二壓力P2及熱交換器120之出口溫度Tout的控制流程。步驟410至425及435可判斷第一壓力P1及第二壓力P2是否在預定範圍內，根據實施例，第一壓力P1的預定範圍可為第一上限值P1_high至第一下限值P1_low之範圍，且第二壓力P2的預定範圍可為第二上限值P2_high至第二下限值P2_low之範圍。步驟430、440及445可判斷出口溫度Tout是否在預定範圍內。

根據實施例，出口溫度Tout的預定範圍可為介電液190之沸點溫度的範圍，亦即溫度上限值T_boiling-delta-T1至溫度下限值T_boiling-delta-T2之範圍。第一上限值P1_high高於第一下限值P1_low，可表示為P1_high>P1_low。第二上限值P2_high高於第二下限值P2_low，可表示為P2_high>P2_low。溫度上限值T_boiling-delta-T1高於溫度下限值T_boiling-delta-T2，可表示為T_boiling-delta-T1>T_boiling-delta-T2。

根據實施例，若第一壓力P1高於預定範圍，且第二壓力P2亦高於預定範圍(亦即P1>P1_high且P2>P2_high)，可判斷冷卻系統100內之氣體量過多，可進行排氣。因此，當步驟415之結果為「是」，可進入步驟492之排氣流程。

根據實施例，若第一壓力P1高於預定範圍，且第二壓力P2低於第二上限值P2_high(亦即P1>P1_high且P2<P2_high)，可判斷熱交換器120之冷卻能力不足，可調高冷卻能力。因此，因此，當步驟415之結果為「否」，可進入步驟494以調高冷卻能力。

根據實施例，若第一壓力P1低於預定範圍，且第二壓力P2亦低於預定範圍(亦即P1<P1_low且P2<P2_low)，可判斷冷卻系統100內之氣體量過少，故可進入步驟496，以調降冷卻能力以使總氣體量上升。根據實施例，若第一壓力P1低於預定範圍，且第二壓力P2高於第二下限值P2_low時(亦即P1<P1_low且P2>P2_low)，可判斷熱交換器120之冷卻能力過高，故可進入步驟496以調降冷卻能力。根據實施例，為了簡化控制流程，如步驟420所示，當第一壓力P1低於預定範圍時(亦即P1<P1_low)，可不另行判斷第二壓力P2之狀況，直接進入步驟496以調降冷卻能力。

如步驟435至445所示，當第一壓力P1落在預定範圍(亦即P1_high<P1<P1_low)，可透過第二壓力P2及出口溫度Tout判定系統之狀態。

根據實施例，當第二壓力P2高於預定範圍，且出口溫度Tout亦高於預定範圍(亦即P2>P2_high且Tout>T_boiling-delta-T1)時，冷卻系統100之熱交換量不足，故可進入步驟494以調高冷卻能力。

當第二壓力P2高於預定範圍，且出口溫度Tout不高於預定範圍時(亦即P2>P2_high且Tout<T_boiling-delta-T1)，可判斷冷卻系統100內之沒有冷凝的蒸氣過多，為了調高熱交換器120的冷卻效率，可進入步驟492以執行排氣。

當第二壓力P2及出口溫度Tout都低於下限時(亦即P2<P2_low且Tout<T_boiling-delta-T2)，可判斷冷卻系統100之熱交換量過高，可進入步驟496以調降冷卻能力。當第二壓力P2低於下限，但出口溫度Tout高於下限時(亦即P2<P2_low且Tout>T_boiling-delta-T2)，可判斷冷卻系統100內沒有冷凝之蒸氣較少，因此熱交換器120之冷卻效率過高，可進入步驟496以調降冷卻能力。為了簡化流程，在當第二壓力P2低於設定範圍時(亦即P2<P2_low)，可不另判斷出口溫度Tout是否落在預定範圍，而可直接進入步驟496以調降熱交換器120之冷卻能力。

當第一壓力P1及第二壓力P2都在預定範圍內時(亦即，P1_high>P1>P1_low，且P2_high>P2>P2_low)，冷卻系統100內之氣體量正常，可透過熱交換器120之出口溫度Tout以判定是否調整熱交換器120之冷卻能力。如步驟440及445所示，當出口溫度Tout高於上限時(亦即Tout>T_boiling-delta-T1)，可調高冷卻能力；當出口溫度Tout低於下限(亦即Tout>T_boiling-delta-T2)，可調降冷卻能力；當出口溫度Tout落於預定範圍內時(亦即T_boiling-delta-T1>T1>T_boiling-delta-T2)，熱交換器120之冷卻能力可不被調整。

步驟492、494及496之每一步驟完成後，可選擇性地結束流程或進入步驟405，以再度執行判斷及控制。

第4圖為實施例中，第3圖之步驟492之排氣操作的流程圖。如第1圖、第2圖及第4圖所示，排氣操作可包含以下步驟：步驟502：開始；步驟505：判斷槽體110內之介電液190之溫度T_tank是否高於預定溫度(本文以T_boiling-delta-T3表示)；若是，進入步驟510；若否，進入步驟520；步驟510：判斷儲氣裝置140之儲氣量(本文以Bellow_level表示)是否低於最大值(本文以Max表示)；若是，進入步驟530；若否，進入步驟520；步驟520：開啟第一閥172及第二閥174，且關閉第三閥176；進入步驟540；步驟530：開啟第一閥172及第三閥176，且關閉第二閥174；步驟540：計時一段預定時間，以使氣體流動；步驟550：關閉第一閥172、第二閥174及第三閥176；及步驟560：結束。

第4圖之流程中，當第二溫度計158所量測的槽體110之介電液190之溫度高於略低於介電液190之沸點的預定溫度T_boiling-delta-T3時(亦即T_tank>T_boiling-delta-T3)，可判斷槽體110內之液體溫度已穩定，且混合氣體為介電蒸氣195的濃度較高之狀態，為了減少介電液190的逸失，在儲氣裝置140未滿(亦即Bellow_level<Max)的條件下，可開啟第一閥172及第三閥176且關閉第二閥174，使混合氣體流入儲氣裝置140。當槽體110之介電液190之溫度低於預定溫度T_boiling-delta-T3時(亦即T_tank<T_boiling-delta-T3)，可判斷介電蒸氣195之濃度較低，可開啟第一閥172及第二閥174且關閉第三閥176，以使冷卻系統100之內部與外部空間連通，以將混合氣體排出冷卻系統100外。以及，當儲氣裝置140已滿時，可開啟第一閥172及第二閥174且關閉第三閥176，以使冷卻系統100之內部與外部空間連通，以將混合氣體排出冷卻系統100外。步驟540中，當被開啟之閥已開啟一段預定時間(例如數秒鐘)後，可將所有閥關閉，使冷卻系統100之內部與外部隔離，以完成一次排氣流程。

第5圖為實施例中，冷卻系統100執行吸氣操作的流程圖。如第5圖所示，吸氣操作可包含以下步驟：步驟605：開始；步驟610：判斷第一壓力P1是否小於預定壓力(本文以P_amb表示)；若是，進入步驟620；若否，進入步驟660；步驟620：判斷儲氣裝置140之儲氣量Bellow_level是否大於最小值(本文以Min表示)；若是，進入步驟640；若否，進入步驟630；步驟630：開啟第一閥172及第二閥174，且關閉第三閥176；進入步驟650；步驟640：開啟第一閥172及第三閥176，且關閉第二閥174；步驟650：計時一段預定時間，以使氣體流動；進入步驟610；步驟660：關閉第一閥172、第二閥174及第三閥176；及步驟670：結束。

根據實施例，冷卻系統100於操作中可能處於負壓的狀況，例如步驟610中，當第一壓力P1小於預定壓力P_amb時(亦即P1<P_amb)，系統可處於負壓的狀況。此時，因為冷卻系統100之內外壓差，槽體110可被壓縮，冷卻系統100的密封程度提高，可減少介電液190的逸失，然而，此時若欲將槽體110打開以進行維護，須花費更大的力量才能抵抗壓差，以將上蓋開啟。為了避免此問題，於開啟上蓋前，可先執行第5圖之吸氣操作，以使冷卻系統100內之壓力恢復。為了盡可能回收混合氣體內的介電蒸氣195，當儲氣裝置140尚未排空時(亦即bellow_level>Min)，可先進入步驟640，以使儲氣裝置140內的混合氣體流回管線內。若儲氣裝置140已排空(亦即，步驟620之結果為是)，則可進入步驟630，自外部空間吸取空氣。於步驟650使閥開啟一段時間後，可進入步驟610以再度判斷冷卻系統100是否恢復至常壓，若尚未恢復(亦即步驟610之結果為是)，可再執行吸氣操作；反之，若步驟610之結果為否，可進入步驟660以關閉所有閥，以隔離冷卻系統100之內部及外部，並結束吸氣操作。

第6圖為實施例中，冷卻系統100執行過壓保護操作的流程圖。如第6圖所示，過壓保護操作可包含以下步驟：步驟705：開始；步驟710：判斷冷卻系統100內之壓力(本文以P表示)是否小於閾值(本文以P_threshold表示)；若是，進入步驟705；若否，進入步驟720；步驟720：判斷槽體110內之介電液190之溫度T_tank是否高於預定溫度T_boiling-delta-T3；若是，進入步驟730；若否，進入步驟740；步驟730：判斷儲氣裝置140之儲氣量Bellow_level是否小於最大值Max表示；若是，進入步驟750；若否，進入步驟740；步驟740：開啟第一閥172及第二閥174，且關閉第三閥176；進入步驟760；步驟750：開啟第一閥172及第三閥176，且關閉第二閥174；步驟760：計時一段預定時間，以使氣體流動；步驟770：判斷冷卻系統100內之壓力P是否小於閾值P_threshold；若是，進入步驟780；若否，進入步驟720；及步驟780：關閉第一閥172、第二閥174及第三閥176；進入步驟710。

根據實施例，於第6圖之壓力保護操作中，步驟710及770之壓力P可為第一壓力P1或第二壓力P2。當壓力P高於閾值P_threshold時(亦即P>P_threshold)，可判斷冷卻系統100內氣體量過多，為避免冷卻系統100內部壓力過大造成損害，可將多餘氣體排出，故第6圖之流程與排氣操作相似。當槽體110內之液體的溫度T_tank已達穩定(即T_tank>T_boiling-delta-T3)，步驟730、740及750可根據儲氣裝置140內之可利用空間的多寡，以控制第一閥172、第二閥174及第三閥176之關閉及開啟，以選擇將氣體保存於儲氣裝置140或是排出冷卻系統100之外。若槽體110內液體的溫度T_tank仍低於預定溫度T_boiling-delta-T3，可直接進入步驟740將氣體排出。每隔一段時間可確認壓力P是否低於閾值P_threshold，並再次如前述根據槽體110之液體溫度T_tank及儲氣裝置140內可利用空間的多寡以控制第一閥172至第三閥176。此排氣操作可持續操作至壓力P低於閾值P_threshold後，再將第一閥172至第三閥176關閉，以隔離冷卻系統100之內部及外部。步驟780結束後，可選擇性地結束流程，或進入步驟710以繼續執行過壓保護相關的檢查及控制。藉由第6圖之過壓保護操作，可避免高壓對冷卻系統100造成破壞，且可避免液體沸點上升。

總上，實施例提供的冷卻系統100、操作方法400、排氣操作、吸氣操作及過壓保護操作可根據壓力及溫度，進行適宜的控制，故可有效控制冷卻系統100之壓力，還可避免沸點變化、過壓造成毀損、開蓋維修困難等問題，因此對於處理本領域之難題，實有助益。

本發明之冷卻系統及其操作方法可助於伺服器及相關裝置之冷卻，以增進伺服器及相關裝置的穩定性及可靠度，使伺服器及相關裝置更適合用於人工智慧(Artificial Intelligence，簡稱AI)運算，以及邊緣運算(Edge Computing)，且對於5G伺服器、雲端伺服器、車聯網伺服器等應用，亦實有助益。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。